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评小米第一款带实体Home键的手机Mi 5的指纹识别

发布时间:

2016/3/2 1:26:33

来源方式:原创

作为小米第一款带实体Home键的手机,Mi 5的指纹识别是怎么设计的?

Fig1. 小米5的露脸照

距离小米4发布19个月后,小米5终于发布了。在小米手机历史上,这是时间差最大的两代产品,而指纹识别的研发可能是小米5跳票的原因之一。作为中国互联网手机第一品牌,小米在冲击高端时必须做到跟其它主要品牌的差异化,与华为旗舰机对标乃是米粉们对小米5的期待。如今,小米5不负众望地超越了背置指纹识别的“华为Style”,将指纹集成入长方形的Home键中。


Fig2  小米5的指纹识别的接触面积比其他同类产品小一些,按键显得比较细长。

自iPhone 5S将指纹识别引入智能手机以来,对指纹识别技术运用一直存在5类纷争:阵营之争、类型之争、材料之争、前后之争、尺寸之争。就着小米5发布的热度,我们来分析一下小米5指纹识别背后的技术原理和行业故事。

首先是[阵营之争]


Fig3. 主要供应商的信息

选择有经验的长期从业者和无经验的跟进者,是为小米5选择指纹识别供应商的第一道关。

指纹传感不是某种特定的传感技术,因为指纹是人体生理特征,而传感器所采集的是某一种物理量。共有“声光电热压”五类物理方法用作指纹图像采集。其中光类型应用超过30年,但体积不适合智能手机;电类型(电容/微波/电感在物理上是等价的)的市场应用约10年光景;其余类型尚未市场应用。由于人体差异大,指纹传感器很容易出现对一些人好使而对另一些人失效的毛病,甚至在一段时间后对同一个人失效。所以指纹传感器的设计者要对所选物理测量下的人体差异性心中有数,否则就会造成大量的技术性失效。由于这是商业秘密型的知识,只有经历过长期试错才能累积设计经验。

去年某指纹供应商昙花一现,第一次设计就做大量的小品牌试单,在面对面销售的时候导致消费者无法使用,透支了信誉败掉了未来。另一指纹供应商为避免面对面销售的“立即死”效应,专做电商平台出货的互联网手机品牌。可惜互联网手机都有粉丝论坛,在手机销售一段时间后累积了海量的对指纹失灵和误识别的投诉。

鉴于互联网投诉任何人都可以查证和统计,阿里巴巴的安全部门也可以,于是这些手机的指纹支付之路就被黑心供应商埋下了障碍。哪怕已经开通指纹支付的手机,在ROM升级后被关闭支付宝指纹支付的例子,大家不得不引以为戒。

小米作为中国最大的互联网手机品牌,在冲击全球一线品牌的过程中,手机指纹支付是必须的一张牌。这就使小米5选择了Fingerprint Cards(简称FPC)作为指纹Sensor供应商的原因。

说到FPC不得不八卦一下。这个瑞典厂商的中国情结颇深,于1997年成立,但直到2014年华为Mate7发布之前完全依赖中国银行系统的订单而存活。我们在各银行柜台看见的柜员指纹认证器大部分是FPC1011。FPC跟我本人的渊源也颇深,我对面型电容式指纹应用的数据统计就主要是基于FPC1011。如今我发明了第四代“C-Q-T”技术,建立迈瑞微来与老基友同堂竞技,在商言商之外,也惺惺相惜。因为供应链的交叠,FPC的技术发展有相当比重沾了迈瑞微研发成果的光,例如微晶锆盖板会在下面提到。

接下来讲[类型之争]

前面提到“声光电热压”五大类里只有光和电有应用,考虑到这本身是市场选择的结果,所以分析物理规律本身还是有必要的。

  • 从成像原理讲,指纹成像分集束成像和接近成像。

所谓集束成像,通俗点讲就是利用物理量传播的集束性(方向性)成像。光有最好的集束性,可以通过光学系统以非常高的分辨率成像。光学式指纹传感器中,与手接触的是光学系统,脆弱的传感器件因光学系统而得到保护,从而达到应用条件。

Fig4. 光学集束型成像示意图

所谓接近成像就是利用指纹脊线谷线交替的空间结构,产生某种受该空间差异影响的物理量场。可以选择的有电场、热场和压力场,而决定这3类成败的是哪一种物理量场在穿透足以保护传感部件的介质之后衰减量最小。市场之所以选择了电容式指纹传感器,正是因为电场穿过足以保护指纹传感器的介电物质后,衰减尚可接受。

Fig5. 电容指纹传感器接近成像原理

超声波是介于集束成像和接近成像之间的物理量。如果采用接近成像,除了能穿透金属相对于电容式而言有点差异外,没有什么性能优势。如果采用集束成像,原理上是可以穿透较厚的介质,但由于声波集束性取决于波长和发射接收极的尺度关系,当波长远小于发射接收极的尺度时才有集束性。考虑到指纹传感器的像素大小是50um,利用声波集束性要求频率达到100MHz以上。虽然制造这个频率的单点声发射接收极很简单,但制造过万点的阵列又是另一回事,所以即使有高通的支持,Ultrascan还是没能实现量产。而且即使勉强量产,缺乏应用经验的大坑还等着呢。

  • 到今天为止,电容式指纹传感器一共发展出4代技术。

第1代被动型产生于1980年代,属于未认识到电场传感规律时代的产物,要求指纹非常贴近像素电极,所以像素电极的尺度是50um,而第1代电容式指纹传感器能容忍的介质厚度上限也就50um,超过这个值就衰减很快。

第2代主动型产生于1990年代,是认识到电场传感规律后的产物,除了使用激励发生器外,传感器内部也根据此时的传感信号特点做了优化。

第3代RF型产生于2000年代初,是第2代的升级版,区别是第2代采用直流电场,而第3代采用交流电场,提高了灵敏度。

第4代“C-Q-T”型产生于2010年代初,是当代集成电路设计技术和第3代理论结合的产物,提高了可靠性、可测性和可制造性。

由于第3代技术被苹果独占专利,作为国际化品牌的小米自然不会去接触任何第3代技术的跟随者。而第4代技术还在成长期,所以小米5也没有选择第4代技术,在采用第2代技术的基础上借鉴了第4代技术研发中的延伸成果,就是“微晶锆”盖板。

这就要从材料之争说起

iPhone 5S起苹果坚持在Touch ID上使用“蓝宝石”盖板,学名叫三氧化二铝单晶体。


小米5则使用了能对标蓝宝石的“微晶锆”盖板,学名叫二氧化锆陶瓷。

微晶锆盖板的供应商是潮州三环(深交所股票代码“三环集团”),以前介绍过的“国产Touch ID”的盖板就是由这家中国本土的高科技材料公司研发的。2014年3季度起,三环公司与迈瑞微共同研发适合指纹传感器盖板的二氧化锆陶瓷材料,并在“国产Touch ID”这个项目上进行了量产,并依靠迈瑞微的支持和华强北的试用,在小米5这个项目上,潮州三环靠产品品质把同期研发的日本京瓷给淘汰掉,为国产新材料长了脸面。

Fig6. 华强北才是世界上最早应用微晶锆指纹盖板的地方

“微晶锆”在指纹传感器盖板应用上优势极大。

氧化锆的莫氏硬度8.5,氧化铝为9.0,都大于把手机屏幕磨花的罪魁祸首石英的莫式硬度8.0,都能完全避免磨损。(和微晶锆比起来,谈H硬度的渣渣都可以死一边去,H硬度指铅笔硬度,莫式硬度是矿石硬度,再硬的铅笔能和矿石比吗?)

在电容介质的角度,氧化锆的相对介电常数接近氧化铝的3倍,这能大幅度降低指纹电场的衰减;陶瓷结构使微晶锆的韧性比蓝宝石优越得多,同时成本却低得多。

可是为什么这么好的材料苹果不用,难道苹果也只选贵的不选对的么?其实是因为微晶锆陶瓷本体显色,不像透明的蓝宝石用油墨显色,颜色的纯度要通过深入的材料研究来实现。

Fig7. 彩色微晶样品展示

正是看到了氧化锆作为材料的优势,以及有一定能研发成功的底气,迈瑞微当仁不让成为微晶锆指纹盖板的伯乐和共同研发单位。

不过,盖板强度除了靠材料,也靠尺度来实现。迈瑞微在2014年就可以量产使用200um厚微晶锆盖板的指纹模组,但到了2016年FPC还只能采用不超过100um厚的微晶锆盖板。所以在坚强程度上面,迈瑞微领先FPC这个老基友一程。至于有些国内厂商坚持使用的玻璃,介电常数低、脆、不耐磨,除了廉价没优势。通常性能低的廉价材料只运用在低端产品上,在智能手机上塑料外壳搭配恰好。

所以在材料选择上,小米5紧跟华强北,第一次走在了所有国产品牌手机的前面。

最众说纷纭的[前后之争]

指纹识别设计该放前面还是后面?

产品是美学和工业设计的妥协,无论美学角度还是工业设计角度都很主观。当小米5在官网秀出露脸照,与华为Mate8在官网的露背照对比时,美学上还能有疑义么?至于工业设计,一直以来,Android手机以窄边框为趋势,LCD只能从上方或者下方出线,但上方有摄像头,为了回避散热和结构的冲突,只能在下方出线,这就与实体按钮发生结构干涉。

所以难的不是前置指纹按钮,而是前置一个实体按钮。既然小米5承担了小米品牌冲击高端的重任,美型和手感上来不得半点马虎,于是前置就成为必然选择。

Fig8. 华为Mate8的官网露背照

最后是[尺寸之争]

苹果第一代Touch ID仅88 x 88 @ 508 dpi = 19.36平方毫米,从iPhone 6s起,苹果悄悄把图像面积提高到96 x 112 @ 508dpi = 26.88平方毫米。

小米5选型的FPC1140的图像面积是192 x 56 @ 508 dpi = 26.88平方毫米,是不是跟第二代(iPhone 6S)Touch ID一模一样?

指纹图像的面积相当于数字密码的长度,信息量越大安全性越高。Authentec(苹果)和FPC对Sensor图像面积的答卷都是26.88平方毫米,这就是长期从业者对技术的敬畏和对产品的节操。迈瑞微的产品图像面积在32平方毫米以上,比两个老基友更加有节操。这并不是因为算法能力弱,而是为了更高的使用体验留下空间。

例如华为旗舰机作为背置指纹传感器里使用体验最好的,就得有160 x 160 @ 508dpi = 64平方毫米的大个头,才能使消费者按偏时也能识别。与此同时有些二线手机品牌论坛上不遗余力地教育消费者保养手指皮肤,正向细心轻重适宜的按压指纹,不正是差距么?

说到使用体验,FPC1140的图像面积虽然和Touch ID一致,但毕竟形状上有不足。当注册指纹图像和匹配指纹图像有旋转角度时,指纹图像越接近正方形越能保证重叠面积。对于长方形,尤其是长宽比较大的长方形指纹传感器,唯一的办法是在注册时尽可能多的采集各区域的图像,并将其拼起来,从而使得任何方向按压指纹都可以与注册图像有足够的重叠面积。尽管小米5的真机还没到手,不妨猜想小米5的注册次数会远远高于iPhone 6S,也许会达到24次之多。如果处理得当的话,这对使用体验的影响应该还是可以接受的。

小米5在指纹识别技术上的慎重是有原因的,在web2.0和大数据年代,作为互联网智能手机的开山鼻祖,小米公司必然很清楚口碑的重要性。如果选错指纹技术,只因为指纹不好用导致大量的退换货也就罢了,最怕的是无节操的供应商为了提高使用中的通过率而降低匹配相似度门限,爆出大比率的误识别。

要知道,中国大数据分析最强的云平台和最大的支付平台都属于阿里巴巴集团。但现实中却有一些手机公司的管理人员刻意回避指纹识别行业资深人士的专业意见,“选错阵营、选错材料、选错尺寸”,既对消费者不负责任,也作死了该手机品牌的指纹支付之路。因为如果再进一步把错误升级到未市场验证的物理类型,指纹支付的路说不定就断了。新技术有风险,互联网公司在扩展硬件产品的过程中不能像在互联网领域一样激进,而要注意硬件的深技术特点,多听听业内资深人士意见,兼听则明。

最后再一次为小米5鼓掌,希望雷布斯始终坚持对米粉的承诺,做一流的手机。

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